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Nuevos modelos para crear aleaciones metálicas más resistentes y dúctiles

Si bien la mezcla de materiales semiconductores innovadores es fundamental para mantener vigente la ley de Moore, las aleaciones metálicas no han tenido el mismo crecimiento exponencial en cuanto a rendimiento. Nuevos modelos computacionales que unen materiales a distintas escalas ofrecen la clave para desarrollar aleaciones metálicas más resistentes y duraderas, lo cual es muy apreciado en aplicaciones de ingeniería.

Tecnologías industriales
Investigación fundamental

Los modelos informáticos se emplean cada vez más en distintas industrias como ayuda en la evaluación del rendimiento de los productos fabricados, los procesos de selección y síntesis de materiales y el procesamiento de materiales en componentes. Comprobar las propiedades de los materiales no es sencillo, y los fenómenos subyacentes abarcan muy distintas escalas espaciales y temporales. La combinación de información a escalas cuántica, atómica, mesoscópica y macroscópica es fundamental en el desarrollo de modelos pluriescala capaces de describir y predecir el comportamiento de los materiales. En los últimos seis decenios, los expertos en metalurgia han creado una amplia gama de aleaciones nuevas. «El desarrollo de aleaciones metálicas nuevas o mejoradas se basa en un conocimiento exhaustivo de los fenómenos físicos fundamentales que subyacen a sus sorprendentes propiedades, o de los factores que repercuten negativamente sobre las mismas. Dada la complejidad de la labor, este campo solo ha experimentado mejoras en las aleaciones existentes o fortuitas en materiales desarrollados en entornos experimentales», indica el profesor Bill Curtin, coordinador del proyecto financiado con fondos europeos PreCoMet. La investigación realizada descubrió fenómenos físicos importantes que afectan a la resistencia y la ductilidad de determinados tipos de materiales. Aleaciones de magnesio más dúctiles En su forma pura, el magnesio es difícil de manipular y estirar y carece de resistencia suficiente como para utilizarlo en aplicaciones estructurales. Los investigadores de PreCoMet trabajaron en la identificación de la razón atómica de este comportamiento inusual. Las simulaciones de interacciones del magnesio a escala atómica les ayudaron a extraer información con la que contemplar en conjunto decenios de investigación sobre las propiedades macroscópicas de este metal. «Los defectos atómicos clave, denominados dislocaciones, son los que transmiten la deformación plástica y permiten a los planos cristalinos adyacentes desplazarse uno con respecto a otro. No obstante, hemos apreciado un comportamiento inusual en la estructura de una dislocación importante, la cual comenzó a conformar distintas geometrías posibles que la fijaron e impidieron su movimiento. Estas estructuras nuevas ya se habían observado en entornos experimentales, pero se consideraban anomalías provocadas por la experimentación», explica el profesor Curtin. Se mostró que esta estructura inamovible es definitoria del magnesio y es responsable de su baja ductilidad. El equipo al cargo de la investigación descubrió que al añadir tierras raras como el itrio, el neodimio y el gadolinio, incluso a concentraciones pequeñas, aumenta considerablemente la cantidad de dislocaciones desplazables y, por tanto, aumenta la ductilidad del magnesio. Gracias a sus modelos lograron predecir nuevas aleaciones con ductilidad adecuada, lo cual evita el empleo de otros elementos pertenecientes a las tierras raras. Menos especulación en el desarrollo de aleaciones de alta entropía El nuevo tipo de aleaciones de alta entropía cuenta con múltiples elementos y son muy deseables debido a su resistencia tanto general como a fracturas a muy distintas temperaturas. A pesar de las investigaciones realizadas durante los últimos setenta años, aún no existían modelos que pudieran predecir exactamente la resistencia de las aleaciones ni en estructuras sencillas en las que domina un único elemento. El equipo amplió su trabajo hacia la modelización de clases de aleación con dos estructuras cristalinas comunes con independencia de la cantidad de elementos y sus concentraciones. Gracias al empleo de sus modelos, lograron predecir la resistencia de muchas aleaciones basadas en algunas propiedades atómicas fundamentales. «Ahora podemos diseñar aleaciones de alta resistencia inéditas. La enorme cantidad de combinaciones posibles hace que esto sea todo un hito, sobre todo teniendo en cuenta la dificultad que entraña encontrar aleaciones de alta entropía», concluye el profesor Curtin. El proyecto ayudará a ingenieros a desarrollar aleaciones especiales para muy distintas aplicaciones en sectores como el aeroespacial, automovilístico o el biomédico.

Palabras clave

PreCoMet, modelo, magnesio, aleación de alta entropía, aleación metálica, ductilidad, dislocación, elemento de tierras raras

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